Tugas 4 Final Ppml

Tugas 4 Pemodelan dan Pengendalian Motor Listrik Muhammad Syahwil P2700209009 pascasarjana UNHAS

SIMULASI DAN PEMODELAN MOTOR DC TERKENDALI JANGKAR VARIASI BEBAN

DENGAN MATLAB ( LOOP TERTUTUP)

I. PENDAHULUAN

Dewasa ini pengendalian kecepatan motor listrik memegang peranan penting pada dunia industri, karena motor DC mempunyai karakterristik kopel-kecepatan yang menguntungkan dibandingkan dengan motor AC. Tujuan dari pengontrol kecepatan motor adalah agar dapat menjalankan motor sesuai dengan kecepatan yang diinginkan, meskipun ada perubahan beban. Pada umumnya penerapan motor listrik bekerja pada tiga aspek operasi yaitu pada saat starting, pengedalian kecepatan dan pengereman. Dalam sistem pengendalian dikenal dua sistem yaitu pengendalian sistem loop terbuka (Open Loop controller) dan pengendalian sistem loop tertutup ( Closed Loop Controller). Pada tugas 4 ini akan disimulasikan pengaturan kecepatan motor dc dengan sistem pengedalian loop tertutup,( dengan umpan balik) dimana digunakan umpan balik untuk lebih memberikan pengaturan kecepatan yang lebih akurat atau mempertahankan kecepatan motor meskipun ada gangguan atau perubahan beban (variasi beban).

II. MODEL FISIK PENGENDALIAN KECEPATAN MOTOR DC( LOOP TERTUTUP ) DENGAN VARIASI BEBAN

Secara sederhana rangkaian fisik kontrol kecepatan motor loop-tertutup dengan variasi beban dapat dilihat pada gambar 1. Sistem kontrol loop-tertutup adalah sistem pada output dari proses yang mempengaruhi input. Sistem tersebut mengukur output yang dikehendaki. Pengaturan dibuat secara terus menerus oleh sistem kontrol sampai perbedaan antara output yang dikehendaki dan yang sesungguhnhya sekecil dan seperaktis mungkin

Gambar 1a. Rangkain Fisik Pengaturan kecepatan motor loop tertutup

Pascasarjana Unhas 2010 |


Gambar 1b. Blok Diagram Pengaturan kecepatan motor dc loop tertutup

Bagian-bagian dari pengaturan kecepatan motor dengan variasi beban diatas (gambar 1) terdiri dari :

1. Motor DC, yaitu sistem yang akan dikontrol kecepatannya dengan variasi beban.2. Catu Daya ; Pada bagian ini merupakan pengendali motor yang berisi penyerah 1

phasa terkendali penuh yaitu penyearah jembatan yang dikontrol fasenya dengan rangkaian logik untuk mengontrol tegangan dc yang diberikan pada jangkar motor ( pada tugas ini disimulasikan menggunakan kontrol PID), dimana variasi tegangan output penyearah bergantung pada besar sudut penyalaan pada thyristor atau SCR, sudut penyalaan thyristor diperoleh dari sensor umpan balik (output berupa tegangan yang berdasarkan referensi kecepatan dari tachometer ), catu daya digambarkan seperti gambar 2.

3. Sensor Kecepatan; berupa tachometer yang memberikan umpan balik berdasarkan referensi kecepatan motor yang diinginkan, dengan perbandingan antara kecepatan motor dengan tegangan pengaturan sudut penyalaan thyristor (RPM/Volt).

Gambar 2a. Rangkaian Penyearah Terkendali setengah gelombang

Gambar 2b. Rangkaian Penyearah Terkendali gelombang penuh

Pada gambar 2b di atas, sebuah penyearah 1 fasa terkendali gelombang penuh, dengan persamaan tegangan rata-rata dc sebagai berikut :


Motordc


Mengacu pada persamaan di atas dan dengan pemahaman bahwa gelombang tegangan keluaran penyearah 1 fasa terkendali terdiri dari 2 gelombang pulsa keluaran selama periode waktu tegangan suplai ( 0 & 2pi radians ). Pada mode operasi arus beban kontinue dari penyearah 1 fasa terkendali gelombang penuh (asumsikan arus beban tetap), maka setiap thyristor akan konduksi selama π radians (1800) setelah dinyalakan. Bila thyristor T1 dan T2

dinyalakan pada ωt = α , thyristor T1 dan T2 akan konduksi pada selang α sampai dengan(π + α ) , dan bentuk gelombang tegangan keluaran akan mengikuti bentuk gelombang

tegangan suplai seperti gambar 2c. Oleh karena itu tegangan keluaran vo= Vmsin ωt untuk ωt = α sampai dengan (π + α ).

Gambar 2c. Grafik tegangan output Penyearah Terkendali gelombang penuh

Berdasarkan pembahasan di atas, persamaan tegangan dc rata-rata dapat dinyatakan dengan cara:

Karakteristik pengendalian tegangan dc keluaran penyearah gelombang penuh dapat ditentukan dengan menggambarkan tegangan dc keluaran Vdc versus sudut perlambatan penyalaan α . Khusus untuk penyearah 1 fasa gelombang penuh terkendali, besarnya



tegangan dc keluaran dinyatakan dengan persamaan Vo(dc)=Vdc=(2Vm/ π ) cos α . Dengan menggunakan persamaan ini diperoleh nilai Vo(dc) untuk berbagai sudut α seperti pada tabel berikut:

`

Gambar 2d. Karakteristik Penyearah Terkendali gelombang penuh versus sudut Penyalaan alpha

III. MODEL BAGAN KOTAK PENGENDALIAN KECEPATAN MOTOR DC ( LOOP TERTUTUP )

a. bagan kotak :



Gambar 3a. Bagan Kotak Pengendalian Motor DC sistem Loop-tertutup

b. Pengendali PID

Kontrol PID merupakan sistem kontrol loop tertutup yang cukup sederhana dan kompatibel dengan sistem kontrol lainnya sehingga dapat dikombinasikan dengan sistem kontrol lain seperti Fuzzy control, Adaptif control dan Robust control. Fungsi alih H(s) pada sistem kontrol PID merupakan besaran yang nilainya tergantung pada nilai konstanta dari sistem P, I dan D

Sistem kontrol PID terdiri dari tiga buah cara pengaturan yaitu kontrol P (Proportional), D (Derivative) dan I (Integral), dengan masing-masing memiliki kelebihan dan kekurangan. Dalam implementasinya masing-masing cara dapat bekerja sendiri maupun gabungan diantaranya. Dalam perancangan sistem kontrol PID yang perlu dilakukan adalah mengatur parameter P, I atau D agar tanggapan sinyal keluaran sistem terhadap masukan tertentu sebagaimana yang diiginkan.

Tabel 2 Tanggapan sistem kontrol PID terhadap perubahan parameter

Untuk merancang sistem kontrol PID, kebanyakan dilakukan dengan metoda coba-coba atau (trial & error). Hal ini disebabkan karena parameter Kp, Ki dan Kd tidak independent. Untuk mendapatkan aksi kontrol yang baik diperlukan langkah coba-coba dengan kombinasi antara P, I dan D sampai ditemukan nilai Kp, Ki dan Kd seperti yang diiginkan.( Penentuan parameter Kp, Ki, Kd pada tulisan ini menggunakan metode trial and error dengan Simulink Matlab)


Gangguan Beban


Gambar 3b. Blok diagram sistem kontrol loop tertutup

Gambar 3c. Blok diagram Pengendali PID

Pedoman umum mendesain PID Controller

Ketika mendesain PID Controller pada suatu sistem, beberapa langkah-langkah berikut untuk mendapatkan respon yang diinginkan :1. Dapatkan respon loop-terbuka dan tentukan apasaja yang ingin ditingkatkan.2. Tambahkan P-Controller untuk menambah waktu naik3. Tambahkan I-Controller untuk menghilangkan kesalahan keadaan tunak4. Tambahkan D-Controller untuk menambah overshoot5. Seimbangkan setiap Kp, Ki, Kd sampai didapatkan keseluruhan respon yang diinginkan.

IV. PEMODELAN PENGENDALIAN KECEPATAN MOTOR DC VARIASI BEBAN ( LOOP-TERTUTUP ) DENGAN SIMULINK MATLAB

Untuk membandingkan pengaruh pengontrolan loop-tertutup terhadap pengendalian kecepatan dengan variasi beban, terlebih dahulu motor dc akan disimulasikan tanpa kontroller, seperi model simulasi berikut :

A. Model simulink Motor DC variasi beban tanpa kontroller



Gambar 4a. Model Simulink Sistem Motor DC dengan Variasi Beban Tanpa KontrollerSetelah model tersebut diatas di simulasikan maka didapatkan hasil sebagai berikut :


Model Simulink Untuk mengatur variasi beban ± 20% dan +50% dari beban nominal,Step1 = step time 2 & Final time 0.2*0.5144Step2 = step time 6 & Final time -0.2*0.5144Step3 = step time 10 & Final time -0.2*0.5144Step4 = step time 4 & Final time 0.2*0.5144Step5 = step time 10 & Final time -0.5*0.5144Step6 = step time 4 & Final time 0.5*0.5144


Gambar 4b. Grafik Hasil Simulink Pengendalian Kecepatan Motorr DC variasi beban Tanpa Kontroller

Analisa Grafik :

Dari grafik terlihat bahwa motor diberikan pada tegangan nominalnya 240 Volt, sementara beban nominal diberikan dari detik 0 kedetik ke-2, kecepatan motor dan Arus Jangkar (Ia) tetap pada nilai nominalnya 1150 rpm dan 35 Ampere, pada detik ke-2 sampai pada detik ke 6, beban motor ditambah 20 % dari beban nominalnya, kecepatan motor turun sedangkan arus jangkarnya naik. Demikian pula sebaliknya jika beban diturunkan 20% dari nominalnya, kecepatan motor kembali naik dan arus jangkar menurun. Sehingga perubahan beban mempengaruhi kecepatan dan arus jangkar, demikian pula pada saat beban naik 50% dari beban nominal. Jika hal ini tidak dikontrol maka kecepatan motor akan berfluktuasi sesuai dengan variasi beban.

B. Model simulink Motor DC variasi beban dengan kontrol loop-tertutup



Gambar 4c. Model Simulink Sistem Motor DC dengan kontrol loop-tertutup (PID)

Perbedaan model simulink, antara model simulasi tanpa kontroller dibandingkan dengan model simulasi dengan kontroller loop-tertutup, yaitu adanya pengendali/PID ( yang mengatur sudut penyalaan SCR pada catu daya) dan adanya sensor umpan balik referensi kecepatan. Model simulasi Pengendali dan Catu daya dapat dilihat sebagai berikut :

a. Bagian Catu Daya

dari pengendali

-C-

534

Vm

AC in

AlphaTegangan Jangkar Ea(t)

Catu Daya

1

Tegangan Jangkar Ea(t)

MATLABFunction

Penyearah Terkendali2

Alpha

1

AC in

Gambar 4d. Model Simulink Catu Daya

Pada catu daya digunakan penyearah terkendali penuh, dengan tegangan Vdc = (2.Vm/pi).Cos (alpha) lihat gambar 2d, dan men-set tegangan maksimum sebesar Vm= 534 V atau Veff = 380 Volt dengan fungsi matlab yang dibuat pada M-file ‘penyearah’

function y = penyearah(x)Vm = x(1);alpha = x(2);y = (2/pi)*Vm*cos(alpha);

b. Bagian Pengendali



alpha

ErrorSudut Penyalaan

PENGENDALI

pi/4

Alpha0

Gambar 4e. Model Simulink Pengendali PID

Pada bagian pengendali PID, set poin sudut penyalaan alpha adalah pi/4 dengan batas saturasi alpha ± pi/4, sedangkan penentuan paramter konstanta P, I, dan D akan disimulasikan dan dilakukan secara coba-coba ( baik untuk pengendali proporsional. Pengendali integral, pengendali derivatif atau gabungan ketiganya/PID sampai diperoleh tanggapan sinyal keluaran sistem terhadap masukan tertentu sebagaimana yang diiginkan.

c. Bagian Sensor

Referensi Kecepatan

5

Tegangan Acuan Sensor

-C-5

1150

Tachometer1

num(s)

den(s)Sinyal Error

Gambar 4f. Model Simulink Sensor Umpanbalik


Kp

1

Sudut Penyalaan

-20

Ki

-0.5

Kd

1s

Integrator

du/dt

Derivative

Batas Alpha

-1000

1

Error


Pada bagian sensor, referensi kecepatan yang diinginkan 1150 rpm dengan set tegangan sensor 5 Volt, adapun prinsip kerjanya, apabila kecepatan putar motor pada level nominal, maka sinyal erronya adalah nol, apabila kecepatan motor lebih besar dari nominal, maka sinyal error lebih kecil dari nol demikian pula sebaliknya, apabila kecepatan putar motor lebih kecil dari nominal maka sinyal error lebih besar dari nol, sinyal error ini merupakan input dari pengendali PID yang selanjutnya mengatur sudut penyalaan thyristor.

Hasil Simulasi :

Pengontrol PID dengan Parameter Kp = -5000 ; Ki = -3000 ; Kd = -0.5

Analisa Grafik :

Setelah melakukan simulasi dengan trial and error dalam penentuan parameter Kp, Ki, Kd dari pengendali PID dengan simulink Matlab, maka diperoleh nilai-nilai parameter kontrol Kp = -5000 ; Ki = -3000 ; Kd = -0.5, dari parameter-parameter tersebut memberikan tanggapan respon yang diinginkan yaitu kecepatan motor tetap konstan pada putaran 1150 rpm (nominal) meskipun ada gangguan atau variasi beban, namun sedikit ada osilasi pada saat kenaikan beban +50%, tapi sangat kecil sehingga masih bisa ditoleransi.

Hasil Simulasi kontrol- P,kontrol-PI, kontrol PD dapat dilihat pada lampiran (untuk membandingkan hasil dengan PID)



V. KESIMPULAN

1. Dari Hasil simulasi membuktikan bahwa Pengendalian Motor dc dengan loop tertutup (dengan kontroller) lebih baik dibanding pengendalian tanpa kontroller (loop-terbuka), karena pada loop tertutup memberikan tanggapan respon yang akurat dalam mengendalikan atau mempertahanakan kecepatan motor, meskipun ada gangguan atau variasi beban.

2. Setelah beberapa trial and error dijalankan pada simulasi, parameter pengendali PID pada pengendalian kecepatan motor dengan variasi beban pada tugas ini diperoleh nilai Kp =-5000. Ki =-3000 dan Kd = -0,5 serta memberikan tanggapan respon yang baik dalam mempertahankan kecepatan motor 1150 rpm.

3. Pengendali PID memberikan tanggapan respon yang lebih baik bila dibandingkan dengan menggunakan pengendali proporsional (P), pengendali proporsional Derivative (PD) dan pengendali proporsional Integral (PI), karena kontrol PID mengkombinasikan kelebihan dan kekurangan dari Kontrol Proporsional, kontrol Derivatif dan kontrol Integral.

4. Pengendali proporsional (Kp) memberikan efek mengurangi waktu naik, tetapi tidak mengahapus kesalahan keadaan tunak. Pengendali integral (Ki) memberikan efek menghapus kesalahan keadaan tunak, tetapi berakibat memburuknya respon transient. Pengendali derivatif (Kd) memberikan efek meningkatnya stabilitas sistem, mengurangi overshoot dan menaikkan respon transfer. (lihat lampiran grafik masing-masing )

Referensi

- Analisis dan Desain Sistem Kontrol dengan MATLAB,T.W.D Hartanto dan Y.W.A.Prasetyo - Konverter 1 phasa terkendali penuh. Sumber :Internet- Kontrol PID, sumber :internet- Teknik Kontrol Automatik, Katsuhiko Ogata- Elektronika Industri, Frank D Petruzella



LAMPIRAN GARFIK HASIL SIMULASI PNGENDALI P&ID

Pengendali Proporsional ( Kp =-5000, Ki = 0, Kd = 0 )

0 5 10 15 20 250

200

400

waktu [sec]

Ea(

Vol

t)

0 5 10 15 20 250.4

0.6

0.8

waktu [sec]

beba

n

0 5 10 15 20 251148

1149

1150

1151

waktu [sec]

omeg

a [R

PM

]

0 5 10 15 20 250

50

100

waktu [sec]

Ia(t

) [A

mp]

Catatan : Kecepatan sudah cenderung tetap, tetapi overshoot masih banyak, karena sifat dari kontrol proporsional mereduksi waktu naik dan kesalahan keadaan tunak, meningkatkan overshoot, dan mengurangi waktu turun dalam sekala kecil.

Pengendali Integral ( Ki =-3000 , Kp = 0, Kd = 0)

0 5 10 15 20 250

200

400

waktu [sec]

Ea(

Vol

t)

0 5 10 15 20 250.4

0.6

0.8

waktu [sec]

beba

n

0 5 10 15 20 25-2000

0

2000

4000

waktu [sec]

omeg

a [R

PM

]

0 5 10 15 20 25-1000

0

1000

waktu [sec]

Ia(t

) [A

mp]



Catatan : Kecepatan tidak stabil, justru overshoot meningkat, karena sifat dari kontrol integral mereduksi waktu naik dan menghilangkan kesalahan keadaan tunak, meningkatkan overshoot, dan meningkatkan waktu turun.

Pengendali Derivative ( Kd =-0.5 , Kp = 0, Ki = 0)

0 5 10 15 20 250

200

400

waktu [sec]

Ea(

Vol

t)

0 5 10 15 20 250.4

0.6

0.8

waktu [sec]

beba

n

0 5 10 15 20 251120

1140

1160

1180

waktu [sec]

omeg

a [R

PM

]

0 5 10 15 20 2520

40

60

waktu [sec]

Ia(t

) [A

mp]

Catatan : Kecepatan tidak stabil, masih ada pengaruh perubahan beban, tetapi overshoot berkurang, karena sifat dari kontrol derivative mereduksi overhoot, dan waktu turun dan memberikan efek kecil pada waktu naik dan kesalahan keadaan tunak.

Pengendali Proporsional-Integral ( Kp =-5000 , Ki =-3000, Kd = 0)

0 5 10 15 20 250

200

400

waktu [sec]

Ea(

Vol

t)

0 5 10 15 20 250.4

0.6

0.8

waktu [sec]

beba

n

0 5 10 15 20 251148

1149

1150

1151

waktu [sec]

omeg

a [R

PM

]

0 5 10 15 20 250

50

100

waktu [sec]

Ia(t

) [A

mp]

Catatan : Kecepatan sudah stabil terhadap perubahan beban, namu masih ada sedikit overshoot, akan tetapi control ini masih lebih baik dibanding Kontrol- P, Kontrol- I, dan Kontrol D, karena mengkombinasikan kelebihan dan kekurangan Kontrol P dan Kontrol I.



Pengendali Proporsional -Derivative ( Kp =-5000 , Ki = 0, Kd = 0.5)

0 5 10 15 20 250

200

400

waktu [sec]

Ea(

Vol

t)

0 5 10 15 20 250.4

0.6

0.8

waktu [sec]

beba

n

0 5 10 15 20 251148

1149

1150

1151

waktu [sec]

omeg

a [R

PM

]

0 5 10 15 20 2520

40

60

80

waktu [sec]

Ia(t

) [A

mp]

Catatan : Kecepatan sudah cenderung tetap terhadap perubahan beban dan overshoot sudah berkurang dibanding Kontrol-PI, dan Kontrol masih lebih baik dibanding Kontrol diatas.

Pengendali PID ( Kp =-5000 , Ki = -3000, Kd = 0.5)

0 5 10 15 20 250

200

400

waktu [sec]

Ea(

Vol

t)

0 5 10 15 20 250.4

0.6

0.8

waktu [sec]

beba

n

0 5 10 15 20 251148

1149

1150

1151

waktu [sec]

omeg

a [R

PM

]

0 5 10 15 20 2520

40

60

80

waktu [sec]

Ia(t

) [A

mp]

Catatan : Hasilnya paling baik dari semua jenis control diatas, karena mengabungkan dari kelebihan dan kekurangan dari Kontrol- P, Kontrol- I dan Kontrol- D


Tugas 4 Final Ppml

Documents

Transcript of Tugas 4 Final Ppml